JP4309363B2 - 磁気抵抗効果素子、磁気再生ヘッド及び磁気情報再生装置 - Google Patents
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Description
本発明は、磁界の印加を受けて電気抵抗が変化する磁気抵抗効果素子と、これを用いた磁気再生ヘッド、及び磁気情報再生装置に関する。
近年、ハードディスク装置等の情報記録／記憶装置においては、磁気記録密度の高密度化が進められている。低磁界でも大きな抵抗変化率を得ることができる高感度で高S/N比の磁気抵抗効果素子に対する要求が高まっている。「高感度」とは、単位磁場（Ｏｅ）当たりの抵抗変化量（Ω）が大きいことを意味している。より大きな磁気抵抗効果（MR）変化量を持ち、より軟磁気特性に優れている磁気抵抗効果素子ほど高感度になる。また、高S/N比を実現するためには、熱雑音をできるだけ低減すること、及び周波数応答が良いこととが重要となる。このため素子抵抗が大きくなることは好ましくなく、ハードディスク装置用磁気抵抗効果素子として用いる場合、素子抵抗としては５Ω〜３０Ω程度の値が好ましい。
磁気抵抗効果素子として、スピンバルブ膜などの磁気抵抗効果膜が知られている。スピンバルブ膜は、強磁性層、非磁性層、強磁性層及び反強磁性層をこの順に積層した構成を備える。一方の強磁性層は反強磁性層を用いた交換バイアス等により磁化を固着しておく。もう片方の強磁性層は外部磁界（信号磁界等）により容易に磁化回転できるようにする。そして、外部磁界によって一方の強磁性層の磁化のみを回転させ、２つの強磁性層の磁化方向の相対的な角度を変化させ、大きな磁気抵抗効果を得ることができる（非特許文献１参照）。
一般に、磁化が外部磁界に対して容易に磁化回転する強磁性層は「フリー層」、「磁場感受層」あるいは「磁化自由層」などと称され、固着されている強磁性層は「ピン層」あるいは「磁化固着層」などと称され、非磁性層は「スペーサ層」、「界面調節中間層」あるいは「中間層」などと称される。
磁気抵抗効果膜に垂直に電流を流す方式（Current-Perpendicular to Plane: CPP）は、電流を磁気抵抗効果素子の膜面内に流すCIP(Current-In-Plane)方式に比べて、高いMR変化率が期待されている。特に、100Gbit/inch２を超えるような高記録密度での情報再生を実現するためには、素子サイズが0.1ミクロン四方程度の大きさになる。このときCIP方式では抵抗の増大や、発熱の問題で十分なS/N比を採ることが難しくなる。これを克服するためにはMR変化率として３０％を越える値が求められる。
MR変化率が2０％を超えるような磁気抵抗効果膜としてはトンネル磁気抵抗効果（TMR）が知られている。TMR膜では、スピンバルブ膜の中間層にトンネル膜を用いて、TMR膜面に対して垂直に電流を流す。しかし、TMR膜は抵抗が100Ω程度かそれ以上の値になるため、信号を読みとるのに必要な周波数応答性が得られない。また、ショットノイズが大きくなり、S/N比を稼ぐことが出来ない。
CCPスピンバルブによれば、中間層が金属であることから抵抗を低く押さえることが出来る。また、強磁性層と中間層の界面を全電流が通過するため、MR効果を高めることが出来る。しかし、この構造では抵抗が低すぎて必要な出力電圧を稼げない。また、寄生抵抗の割合が大きいため、MR効果が大きくても、素子において観察されるMRは数％になってしまう。この問題を解決するために、金属伝導路を形成した絶縁層（電流狭窄層）を用いた電流狭窄型CPPスピンバルブが提案されている（特許文献１参照）。磁気抵抗効果が出現する中間層あるいはその近傍に金属伝導通路を形成した絶縁層を形成することによりMRに寄与する領域の抵抗を寄生抵抗よりも大きくすることができる。その結果、素子におけるMR値を増大させると同時に、抵抗を調整し出力V（V=MR×抵抗Ｒ×センス電流I）を向上させることが出来る。
Appl. Phys. Vol.69, 4774(1991) 特開2002-208744公報
Appl. Phys. Vol.69, 4774(1991)
電流狭窄型CPPスピンバルブでは、微細な金属伝導路（メタルパス）を用いる。微細なメタルパスはエレクトロマイグレーション(EM)の影響を受けやすく、また、部分的に抵抗が高くなるため局所的な発熱を起こし、元素熱拡散を招きやすい。このため、長期信頼性を得ることが課題である。
本発明は、電流狭窄型CPPスピンバルブの熱安定性を改善し、長期の信頼性を確保できる磁気抵抗効果素子等を提供することを目的としている。
本発明の第一は、実質的に一方向に固着された磁化を備える第１の強磁性体層を含んだ磁化固着膜と、外部磁界を受けて磁化が回転する第２の強磁性体層を含んだ磁化自由膜と、前記磁化固着膜と前記磁化自由膜との間に形成された、絶縁膜及び前記絶縁膜の中に形成された柱状の金属伝導部を備える中間層と、前記磁化固着膜及び前記磁化自由膜のいずれかと前記金属伝導部との間に形成された、イオン結合性あるいは共有結合性の化合物を具備する化合物層とを備える磁気抵抗効果膜と、前記磁気抵抗効果膜の上下の膜面に電気的に接続された一対の電極とを備え、前記化合物は、ｎ型半導体であり、かつ前記一対の電極から供給されるセンス電流が前記化合物から前記金属伝導部へ流れることを特徴とする磁気抵抗効果素子を提供する。あるいは前記化合物が、ｐ型半導体であり、かつセンス電流が前記金属伝導部から前記化合物へ流れることを特徴としてもよい。
本発明の第二は、実質的に一方向に固着された磁化を備える第１の強磁性体層を含んだ磁化固着膜と、外部磁界を受けて磁化が回転する第２の強磁性体層を含んだ磁化自由膜と、前記磁化固着膜と前記磁化自由膜との間に形成された、絶縁膜、前記絶縁膜の中に形成された金属伝導部、及び、前記絶縁膜の中に形成された、イオン結合性あるいは共有結合性の化合物を具備する化合物部を備える中間層と、を備える磁気抵抗効果膜と、前記磁気抵抗効果膜の上下の膜面に電気的に接続された一対の電極とを備え、前記化合物は、ｎ型半導体であり、かつ前記一対の電極から供給されるセンス電流が前記化合物から前記金属伝導部へ流れることを特徴とする磁気抵抗効果素子を提供する。あるいは前記化合物が、ｐ型半導体であり、かつセンス電流が前記金属伝導部から前記化合物へ流れることを特徴としてもよい。
このような本発明の第一及び第二の磁気抵抗効果素子は、磁気情報再生装置の磁気再生ヘッドにおける再生素子として用いることができる。磁気情報再生装置とは、例えばハードディスク装置である。
本発明によれば、電流狭窄型磁気抵抗効果素子の熱安定性を改善し、長期にわたる信頼性の改善を図る。また、磁気再生ヘッド、磁気情報再生装置の信頼性の改善を図る。
以下、図面を参照しながら本発明を実施するための形態について詳しく説明する。尚、実施の形態や実施例を通して共通する構成には同一の符号を付すものとし、重複する説明は省略する。また、参照する各図は発明の説明とその理解を促すための模式図であり、図面表示の便宜上、形状や寸法、比等は実際の装置と異なる個所があるが、これらは以下の説明と公知の技術を参酌して適宜、設計変更することができる。
（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子を、図１の断面模式図を用いて説明する。
本発明の第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子を、図１の断面模式図を用いて説明する。
磁気抵抗効果素子は、磁気抵抗効果膜Aと、磁気抵抗効果膜Aにセンス電流を供給する一対の電極（下電極１、上電極１１）を備える。この実施形態では、基板側から準備した下電極１、磁気抵抗効果膜Ａ、上電極１１を積層形成している。
磁気抵抗効果膜は、反強磁性層３、磁化固着膜P（第１の磁化固着層４、反平行結合層５、第２の磁化固着層６を含む）、化合物層７、絶縁部８とメタルパス９を備える中間層（スペーサ層）S、磁化自由層１０を備える。第１及び第２の磁化固着層４、６及び磁化自由層９は、後述するような強磁性材料からなる。
磁化固着膜Ｐは、所定方向に固着された磁化を備える。第１の磁化固着層４の磁化は、反強磁性層３との交換結合により固着されている。第１の磁化固着層４の磁化固着には、反強磁性層３との交換結合を用いる他に、硬質磁性体からの漏洩磁界を用いる方法など他の方法を用いることができる。
第１及び第２の磁化固着層４、６は、所定厚の非磁性材料からなる反平行結合層５を介して互いに反平行に磁気結合している。第２の磁化固着層６は、第１の磁化固着層４の磁化と反平行の磁化を備える。磁化固着膜Ｐは、図１のような積層構成に替えて、単層の強磁性層、材料や組成の異なる複数の強磁性層の積層体、あるいは強磁性層と非磁性層との積層体とすることもできる。
第１及び第２の磁化固着層４、６としては、Fe, Co, Niを主とする合金層を用いることが望ましい。第１及び第２の磁化固着層４，６の材料や組成比は、同一のものとしてもよいし、異なるものとしてもよい。
第１の磁化固着層４の最適な合金組成は、積層される反強磁性層３や硬磁性層の材料によっても異なる。反強磁性層にPtMnやIrMn, RhMn, RuMnなどのMn反強磁性体が用いられるときには、第１の磁化固着層４は、CoFeの合金であることが望ましい。硬磁性材料が用いられるときは第１の磁化固着層４に硬磁性材料を用いてもよい。硬磁性材料としてはCoPt, FePtなどの合金を用いることが出来る。
反平行結合層５としては、Rh, Ru, Irなどを用いることが出来る。その厚さは、反平行結合力を最適化するように、約0.3nmから約1nmの範囲において適宜選択することができる。
第２の磁化固着層６としては、Fe, Co, Niの中から選ばれる少なくとも一つを含む合金層を使うことが望ましい。特に、Feを主とする合金層は高いMRを得ることが出来る。さらに非磁性体であるCu, Au, Ag, Pt, Pd, Osを上記磁性層中に挿入した構造により磁気抵抗効果を高めることが出来る。挿入する膜厚は約0.1nmから約0.5nmまでの厚みであることが望ましい。
第２の磁化固着層６として、ハーフメタルを用いることも出来る。ハーフメタルでは、電子スピンがほぼ完全に分極しているため、高い磁気抵抗化が得られる。具体的には、スピネル、Coを主とするホイスラー合金などを用いることが出来る。
磁化固着層6の膜厚は十分な磁気抵抗効果を得るために約1nm以上とすることが望ましい。さらに約3nm以上であればより磁気抵抗効果を得ることが出来る。
磁化自由層９は、外部磁場の印加されないゼロ磁場において所定の磁化を備え、その磁化は印加された外部磁場に従って回転する。磁化自由層９には、外部磁場を受けて磁化が変化する程度の、磁化固着層４，６に比べて小さい保磁力を備える強磁性材料を用いることができる。
磁化固着膜Ｐの固着磁化方向と磁化自由層１０のゼロ磁場における磁化方向は、略直角をなすことが高感度実現のために好ましい（いわゆるスピンバルブ型磁気抵抗効果素子である）。また、磁化自由層９は、２層以上の強磁性材料層の積層体としてもよいし、強磁性材料層と非磁性材料層とを交互に積層した積層体としてもよい。
磁化自由層９の材料としては、Co, Fe, Niから選ばれる少なくとも一つを含む強磁性体合金やCo合金とNi合金の積層体を用いることができる。また、これらの合金層間に非磁性体であるCu, Au, Ag, Pdを挿入した構造を用いることが出来る。磁化自由層９の材料にはハーフメタルを用いることが出来る。
磁化自由層１０の膜厚は求められる感度に応じて決定される。例えば、ハードディスクドライブのヘッドに用いる場合には約1nmから約10nm程度の膜厚範囲で設計することが出来る。
中間層Ｓは、層状に形成された絶縁部８とこれを上下に貫通する柱状のメタルパス（金属伝導部の一例）９を備える。中間層Ｓのメタルパス９は金属電流路を構成し、磁化固着膜Ｐと磁化自由層９間の電気的導通を担う。一方、中間層Ｓの絶縁部８は電流が流れないため、センス電流の経路は、図１にその概念を矢印で示すように中間層Ｓにおいて狭窄される。第１の実施の形態における中間層Sは、この素子の中で電流狭窄の機能を担う。
中間層Ｓ中のメタルパス９の占める割合は、中間層Ｓの膜面の約５０％以下であることが好ましい。約５０％以上になると電流絞込みによる磁気抵抗効果の増大が期待できるからである。
メタルパス９の材料は、様々な金属を用いることができるが、Cu, Au, Ag, Pt, Pd, Osから選ばれる1種類以上の材料を主とする金属で構成することが好ましい。中間層Sの絶縁部８は、Ta, W, Nb, Al, Mo, P, V, As, Sb, Zr, Ti, Zn, Pb, Th, Be, Cd, Sc, La, Y, Pr, Cr, Sn, Ga, Cu, In, Rh, Pd, Mg, Li, Ba, Ca, Sr, Mn, Fe, Co, Ni, Rbから選ばれる少なくとも一つを主とする、酸化物、窒化物、ホウ化物、塩化物、炭化物により構成される。
メタルパス９の材料は、様々な金属を用いることができるが、Cu, Au, Ag, Pt, Pd, Osから選ばれる1種類以上の材料を主とする金属で構成することが好ましい。中間層Sの絶縁部８は、Ta, W, Nb, Al, Mo, P, V, As, Sb, Zr, Ti, Zn, Pb, Th, Be, Cd, Sc, La, Y, Pr, Cr, Sn, Ga, Cu, In, Rh, Pd, Mg, Li, Ba, Ca, Sr, Mn, Fe, Co, Ni, Rbから選ばれる少なくとも一つを主とする、酸化物、窒化物、ホウ化物、塩化物、炭化物により構成される。
中間層Ｓの膜厚は、上下の磁性層Ｐ，１０間の磁気結合を最小にとどめることのできる厚さが好ましい。このように上下の磁性層Ｐ，１０間の磁気結合が小さいと、磁化固着膜Ｐの固着磁化と磁化自由層１０の自由磁化との間の相互干渉を抑制できるからである。
このような電流狭窄型CPPスピンバルブでは、メタルパスＳによる電流通路（パス）は微細であり、中には直径約５ｎｍ前後のパスもある。このようなパスにはMRを高めるために金属を用いるのが好ましい。しかし、微細なメタルパスはエレクトロマイグレーション(EM)の影響を受けやすく、また、部分的に抵抗が大きくなるため局所的な発熱を起こし、元素熱拡散を招きやすい。このため、製品として求められる長期信頼性を得ることが困難である。
そこで、電流狭窄型CPPスピンバルブのメタルパス９に化合物層７を直接、あるいは他の層を介して積層する。このような化合物層７を形成することでメタルパス９と磁性層（図１の場合は６）との界面での元素拡散を抑えることが出来る。
元素拡散の抑制効果が期待できる材料は、酸化物、窒化物、フッ化物、ホウ化物、炭化物などの共有結合性化合物、あるいはイオン結合性化合物である。これらの化合物は伝導特性の観点から絶縁体、半導体、金属の３種類に分けられる。電流狭窄型CPPスピンバルブはオーミックな特性と低抵抗化とが求められるため、絶縁体を用いることが出来ない。よって、化合物層７に用いる材料は、隣接するメタルパス９や磁性層６等と直接、あるいは他の層を介してオーミック接合をなしえる半導体、半金属、金属である。具体的には、化合物層７の材料として、III-Ｖ族半導体、II-VI族半導体、あるいはFe, Cu, In, W, Ti, Pb, V, Bi, Nb, Zn, Ta, Sn, Zrなどを含む酸化物半導体を用いることができる。
化合物層７に用いることができる半導体の伝導特性を示す材料は、GaAs, GaN, AlAs, AlN, CdS, ZnS, CdSe, ZnSe, Fe2O3, Cu2O, In2O3, WO3, Fe2TiO3, PbO, V2O5, FeTiO3, Bi2O3, Nb2O3, TiO2, SrTiO3, ZnO, BaTiO3, KTaO3, SnO2, ZrO2などである。特に、共有結合性の強い酸化物半導体は拡散を防止するのにより有効である。
化合物層７に用いるｎ型半導体の伝導特性を示す材料は、Fe2O3, In2O3, WO3, Fe2TiO3, PbO, V2O5, FeTiO3, Bi2O3, Nb2O3, TiO2, SrTiO3, ZnO, BaTiO3, KTaO3, SnO2, ZrO2などである。これらはｎ型の特性を示し安価である。特に、Fe2O3, In2O3, WO3, Fe2TiO3, PbO, V2O5, FeTiO3, Bi2O3, Nb2O3, TiO2, ZnO, SnO2, ZrO2は母材を形成した後に酸化処理することで作成することが出来るため、作成時に下層にダメージを与えにくい。
化合物層７に半導体材料を用いる場合には、前後の層とオーミック接合特性を得るために不純物を約１％以上添加して、ショットキーバリア等の形成を防ぐことが好ましい。あるいは、化合物層７の膜厚を約１０ｎｍ以下にすればバリアが非常に小さくなるため事実上オーミックな特性を示すようになる。しかし、半導体は金属よりも抵抗が高くなりやすい。最終的な素子抵抗を例えばHDDのヘッドとして適正な値にするためには、化合物層７の膜厚を約５ｎｍ以下とすることが好ましい。さらに半導体を低抵抗化するためには不純物が約１％以上添加されていることが望ましい。
化合物層７の膜厚は、オーミック特性を得るためには、ギャップエネルギーが大きいほど薄くする必要がある。従って、全体的にII-VI族半導体ではIII-V族半導体よりも薄く形成する必要がある。具体的には、II-VI属半導体では約５ｎｍ以下にすることが望ましい。III-V族半導体の場合は約１０ｎｍ以下にすればオーミックな特性が得られうる。HDDのヘッドへ適用する場合は、III-V族半導体の化合物層７の膜厚は約５ｎｍ以下とすることがより好ましい。
また、II-VI族でもIII-V族でも、約１％以上の金属元素を不純物として添加すると電気抵抗で見るバンドギャップは事実上０になるため、ほとんどオーミックな特性を示すようになる。このとき膜厚上限は抵抗調整の観点から決定されるが、約５ｎｍ以下であることが望ましい。化合物層7にFe, Cu, In, W, Ti, Pb, V, Bi, Nb, Zn, Ta, Sn, Zrなどを含む酸化物半導体を用いる場合も、オーミック特性を得るために約５ｎｍ以下とすることが望ましい。
また、化合物層７の膜厚の下限は、いずれの材料の場合も均一に層を形成するのに十分な膜厚であることが必要である。具体的には０．２ｎｍ以上の膜厚があれば均一に分布することが出来る。さらに安定して形成するためには０．５ｎｍ以上の膜厚であることが望ましい。
化合物層７が半導体であるとき、この上下界面ではペルチェ効果による吸熱と発熱とが起こる。具体的には、化合物層7がｎ型半導体である場合、電子が進入する界面で吸熱し、出て行く界面で発熱する。そのため、メタルパス９側と磁化固着層Ｐ側とで温度差が生じる。
メタルパス９は、磁化固着層Ｐより熱拡散しやすいことから、通電方向はメタルパスとの界面が吸熱になる方向であることが望ましい。このようにすれば、メタルパス９をペルチェ効果により冷却することができる。図1の場合は、下方から上方に電流が流れることが望ましい。一方、化合物層7がｐ型半導体である場合、電子が進入する界面で発熱し、出て行く界面で吸熱する。図１の化合物層７にｐ型半導体を用いる場合は、上方から下方に電流を流すことが望ましい。
化合物層７の材料として半金属の伝導特性を示すものを用いる場合は、グラファイト、Fe3O4、CrO2、ペロブスカイト化合物などを用いることが出来る。このとき膜厚の上限は、この層を横断する電子のスピン情報の伝達を促すために、約５ｎｍ以下であることが望ましい。また一方で、下限は、いずれの材料の場合も均一に層を形成するのに十分な膜厚であることが必要となる。下地や成膜技術にもよるが、具体的には、０．２ｎｍ以上の膜厚があれば均一に分布することが出来る。さらに安定して形成するためには０．５ｎｍ以上の膜厚であることが望ましい。 このような化合物層７を形成することでメタルパスと磁性層との界面での拡散を抑えることが出来る。
化合物層７の形成方法としては、分子ビームエピタキシー（MBE）、レーザーアブレーション、スパッター、CVDなどにより形成することが出来る。また、酸化物、窒化物、フッ化物、ホウ化物、炭化物などの場合には、あらかじめ形成した金属層表面を反応性ガスにさらすことで形成することも出来る。一般に半導体の形成はCVDやMBEが用いられるが、本発明の場合は著しい純度が求められているわけではなく、むしろ不純物を含んで低抵抗化していることが望ましいため、生成方法上重要なのは下部の磁性層（図１では、６）に悪影響を与えないことである。この観点から製法を選択すると、スパッター、あるいはあらかじめ形成した金属層表面を反応性ガスにさらす方法が好ましい。
化合物層７の形成方法としては、分子ビームエピタキシー（MBE）、レーザーアブレーション、スパッター、CVDなどにより形成することが出来る。また、酸化物、窒化物、フッ化物、ホウ化物、炭化物などの場合には、あらかじめ形成した金属層表面を反応性ガスにさらすことで形成することも出来る。一般に半導体の形成はCVDやMBEが用いられるが、本発明の場合は著しい純度が求められているわけではなく、むしろ不純物を含んで低抵抗化していることが望ましいため、生成方法上重要なのは下部の磁性層（図１では、６）に悪影響を与えないことである。この観点から製法を選択すると、スパッター、あるいはあらかじめ形成した金属層表面を反応性ガスにさらす方法が好ましい。
（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施形態に係る磁気抵抗効果素子について、図２の素子断面の模式図を用いて説明する。
本発明の第２の実施形態に係る磁気抵抗効果素子について、図２の素子断面の模式図を用いて説明する。
本実施の形態では、化合物層７は、図２に示すようにメタルパス９および絶縁部８の上部に形成されている。この場合メタルパス９と磁化自由層１０の間の元素拡散を抑制することが出来る。また、化合物層７にｎ型半導体を用いるときは図の下方から上方に電流を流すほうがメタルパスをペルチェ効果によって冷却できる。また、化合物層７にｐ型半導体を用いる場合は、図２の上方から下方に電流を流すほうが好ましい。
（第３の実施の形態）
本発明の第３の実施形態に係る磁気抵抗効果素子について、図３の素子断面の模式図を用いて説明する。
本発明の第３の実施形態に係る磁気抵抗効果素子について、図３の素子断面の模式図を用いて説明する。
本実施の形態では、図３のように化合物層７，７’がメタルパス９と絶縁部８の上下に形成されている。この場合にはメタルパス９と磁化自由層１０および磁化固着層６との界面の拡散を抑えることが出来る。
化合物層７、７’を２層形成するため抵抗が高くなるので、化合物層７，７’の膜厚は薄くする必要がある。具体的には、夫々の膜厚が約４ｎｍ以下であることが望ましい。
また、化合物層7、７’に半導体を用いる場合、一方をｎ型、他方をｐ型とすることでメタルパス９の上下で吸熱させることが出来るため、冷却効率は第１および第２の実施の形態よりも改善する。
（第４の実施の形態）
本発明の第４の実施形態に係る磁気抵抗効果素子について、図４の素子断面の模式図を用いて説明する。
本発明の第４の実施形態に係る磁気抵抗効果素子について、図４の素子断面の模式図を用いて説明する。
本実施の形態では、図４に示すように、中間層Ｓと化合物層７との間に非磁性金属層９’を備えている。非磁性金属層９’はメタルパス材料と同様にCu, Au, Ag, Pt, Pd, Osから選ばれる１種類以上の材料を主とする金属で構成することが出来る。この非磁性金属層９’が無い場合、磁化固着層６と磁化自由層１０の間に化合物層７と中間層Sが連続して形成されるため、磁化自由層の配向性や結晶粒の成長が幾分損なわれてしまう。この非磁性金属層９’を形成することにより化合物層７で一旦乱れた結晶成長を整えることが出来るため、磁化自由層１０の膜質を改善することができる。
また、図４のように中間層Sと化合物層７との間に非磁性中間層９’を形成する場合でも、第２、第３の実施の形態で述べたように、化合物層７をメタルパス９の上方界面に形成したり、あるいは化合物層７をメタルパス９の上下界面に形成したりすることが出来る。
（第５の実施の形態）
本発明の第５の実施形態に係る磁気抵抗効果素子について、図５の素子断面の模式図を用いて説明する。
本発明の第５の実施形態に係る磁気抵抗効果素子について、図５の素子断面の模式図を用いて説明する。
第５の実施形態の磁気抵抗効果素子では、上記の化合物をメタルパス９との重なり部のみに部分的に形成する。用いる材料は第１の実施の形態と同様である。この化合物部７”により、メタルパス９と磁化固着層６との間の元素拡散を防ぐことが出来る。図５のように化合物部７”をメタルパス９と同様に絶縁体８中に形成すると、量子効果により電子が全く散乱されずに通過することが出来る。そのため素子抵抗を減少させることが出来ると同時に、磁気抵抗効果を損なう割合を減らすことが出来る。
また、このような形態で形成した場合の適切な通電方向は、上述のように、ｐ型半導体を化合物部７”に用いる場合、電子が進入する界面で発熱し、出て行く界面で吸熱する。そのため、図５の場合、上電極１１から下電極１へ電流を流すことが望ましい。ｎ型半導体を化合物７”に用いるの場合は、下電極１から上電極１１へ電流を流すことが望ましい。
また、図５のように部分的に化合物部７”を形成する場合でも、第２、第３の実施の形態で述べたように、メタルパス９の上部に形成したり、あるいはメタルパス９の上下に形成したりすることが出来る（図６の断面模式図参照）。この場合の材料選択は、化合物層７の材料を参考に選択することができる。
以上説明したような磁気抵抗効果素子は、磁気再生ヘッドの感磁（センス）部として用いることができる。図７は、基板（ヘッドスライダー）７１上に形成されたセンス部の断面模式図である。図７に示す断面は、媒体対抗面（ABS面）に略平行な断面である。図７の紙面左右方向は、磁気記録媒体のトラック幅方向に対応する。
磁気抵抗効果膜Aの第２の磁化固着層６は、固着された磁化を備える。その磁化方向はは、図７の紙面に対して垂直方向である。磁化自由層１０は、図７の紙面左右方向に安定化された磁化を備える。紙面垂直方向にかかる媒体からの磁界によって磁化自由層１０の磁化の向きを変えることができる。磁化自由層１０の磁化安定化は、硬質磁性層７５により行う。硬質磁性層７は、センス部のトラック幅方向から磁気抵抗効果膜Aを挟むように形成されている。下電極１と上電極１１は、上下シールド７３、７９を兼用してもよく、また、別に形成してもよい。シールド７３、７９は、例えば、NiFe合金等の磁性膜よりなる。
（実施例１）
本発明の実施例１に係る磁気抵抗効果素子について説明する。
本発明の実施例１に係る磁気抵抗効果素子について説明する。
実施例１は、次のような積層構造を備える。各層について、スパッタ時の形成予定膜厚と材料を示す。5nm-Ta/ 2nmRu/ 15nm-PtMn/ 4nm-CoFe/ 1nmRu/ 4nm-FeCo/（化合物層７）/（中間層Ｓ）/ 1nm-FeCo/ 3nm-NiFe/ 1nm-Cu/ 10nmRu
Ta、 Ruは下地層２、Cu, Ruはキャップ層である。磁化自由層１０はFeCoとNiFeの積層膜である。
Ta、 Ruは下地層２、Cu, Ruはキャップ層である。磁化自由層１０はFeCoとNiFeの積層膜である。
化合物層７と中間層Ｓを形成するために、1nm-Fe2O3/ 0.5nm-Cu/ AlCu-oxide/ 0.5nm-Cuとした。Fe2O3層が化合物層７である。メタルパス９は、Cu上にAlCu合金を形成した後に酸化することにより形成した。酸化による自己集合化プロセスにより、AlCu酸化物の中にCuのメタルパス９が形成できた。
実施例１の磁気抵抗変化率（MR）は約10%、面積あたりの抵抗（RA）は420ｍΩμm^2であった。比較例１として化合物層７を用いず、〈中間層〉を0.5nm-Cu/ AlCu-oxide/ 0.5nm-Cuとした構成で素子を作成したところ、MRは約12%、RAは約350ｍΩμm^2の膜特性が得られた。
これらの膜について、図７の構造の素子を作成し、通常使用状態よりも負荷をかけた加速試験（０〜１５０時間）を行った。負荷条件は電圧150mV、通電方向は下部電極７３から上部電極７９方向（−通電と定義する）である。環境温度１３０度摂氏である。結果を図８に示す。明らかに実施例１の構造において良好な安定性が得られた。
また比較例２は、実施例１の構成について、負荷条件は電圧150mV、通電方向は上部電極から下部電極方向（＋通電と定義）、環境温度１３０度摂氏で行った加速試験の結果である。比較例１よりは良好な結果を示すものの、実施例１の構成よりは大きな劣化を示した。これはFe2O3がｎ型半導体であるため、−通電ではメタルパス側で吸熱するのに対して、＋通電ではメタルパス側で発熱するためである。
（実施例２）
本発明の実施例２に係る磁気抵抗効果素子について説明する。実施例２の素子は、化合物層７及び中間層Ｓを除いて、実施例１と同様な層構造とした。
本発明の実施例２に係る磁気抵抗効果素子について説明する。実施例２の素子は、化合物層７及び中間層Ｓを除いて、実施例１と同様な層構造とした。
化合物層７と中間層Ｓを形成するために、1nm-Cu2O/ 0.5nm-Cu/ AlCu-oxide/ 0.5nm-Cuを形成した。メタルパス９の形成は、実施例１と同様にした。この構成において、MR 9.7%、RA 410ｍΩμm^2の膜特性が得られた。Cu2Oが化合物層７である。
負荷条件として電圧150mV（＋通電）、環境温度１３０度摂氏で行った加速試験の結果を図８に示す。同時にプロットした比較例３は実施例２の構成において電圧150mV（−通電）、環境温度１３０度摂氏で行った加速試験（０〜１５０時間）の結果である。
実施例２、比較例３ともに比較例１よりは良い結果を示したものの、通電方向の違いによる差が明確にでた。これはCu2Oがｐ型半導体であるため、＋通電の時にメタルパス側で吸熱するためである。
（実施例３）
本発明の実施例３に係る磁気抵抗効果素子について説明する。実施例３の素子は、化合物層及び中間層を除いて、実施例１と同様な層構造とした。
本発明の実施例３に係る磁気抵抗効果素子について説明する。実施例３の素子は、化合物層及び中間層を除いて、実施例１と同様な層構造とした。
化合物層７、７’と中間層Sを形成するために、0.5nm-Cu2O/ 0.5nm-Cu/ AlCu-oxide/ 0.5nm-Cu/ 0.5nm-Fe2O3を形成した。メタルパス９の形成は、実施例１と同様にした。化合物層７がCu2Oであり、化合物７’がFe2O3である。
この構成において、MR 11%、RA 430ｍΩμm^2の膜特性が得られた。この構成において電圧150mV（＋通電）、環境温度１３０度摂氏での加速試験の結果を図８に示す（実施例３）。
同時にプロットしたのは同じ構成において電圧150mV（−通電）、環境温度１３０度摂氏での加速試験（０〜１５０時間）の結果である（比較例４）。＋通電が非常に良い安定性を示したのに対して、比較例４の−通電は、比較例２とほとんど変わらない結果を示した。これはメタルパス９の上下がともに発熱を起こすためである。
（実施例４）
本発明の実施例4に係る磁気抵抗効果素子について説明する。実施例4の素子の層構造は、化合物層及び中間層を除いて、実施例１と同様にした。
本発明の実施例4に係る磁気抵抗効果素子について説明する。実施例4の素子の層構造は、化合物層及び中間層を除いて、実施例１と同様にした。
実施例４では、図５に示すような化合物領域７”を含む中間層Ｓを形成するために、1nm-AlFe-oxide/ AlCu-oxide/ 0.5nm-Cuを形成した。中間層Sの作成方法は以下の通りである。AlFe合金層を形成した後、AlCu層を形成する。この後に酸素を、プラズマ状態またはラジカル状態で供給する、あるいは希ガスイオンの表面への照射と同時に酸素に曝露することにより酸化する。実施例４では希ガスイオンの表面への照射と同時に酸素ガスを曝露する方法で形成した。これにより、Al酸化物中にFe2O3とCuが積層した形のパスが形成できた。
その結果、この構成において、MR 11.5%、RA 370ｍΩμm^2の膜特性が得られた。これは比較例１とほとんど同じ初期特性であり、抵抗上昇も低く抑えることができた。この構成において電圧150mV（＋通電）、環境温度１３０度摂氏での加速試験（０〜１５０時間）の結果を図８に示す（実施例４）。この場合も実施例１とほぼ同等の良好な安定性が得られた。
（実施例５）
本発明の実施例4に係る磁気抵抗効果素子について説明する。実施例4の素子の層構造は、化合物層７及び中間層Sを除いて、実施例１と同様にした。
本発明の実施例4に係る磁気抵抗効果素子について説明する。実施例4の素子の層構造は、化合物層７及び中間層Sを除いて、実施例１と同様にした。
化合物層７と中間層Ｓを形成するために、0.5nm-Fe3O4/ 0.5nm-Cu/ AlCu-oxide/ 0.5nm-Cuを形成した。Fe3O4が化合物層である。このときMR 12%、RA 360ｍΩμm^2の膜特性が得られた。Fe3O4は金属相であるため、抵抗の上昇も小さく、MRも低下しなかった。
この構成において電圧150mV（＋通電）、環境温度１３０度摂氏での加速試験（０〜１５０時間）の結果を図８に示す（実施例５）。この場合も実施例１とほぼ同等の良好な安定性が得られた。
以上のように、メタルパスに化合物層を積層する事により、良好な安定性を得ることができた。また、このような改善は他の化合物でもほぼ同様の結果が得られる。
１…下電極、
２…下地層、
３…反強磁性層、
４…第１の磁化固着層、
５…反平行結合層、
６…第２の磁化固着層、
７、７’、７”…化合物層、化合物部
８…絶縁部、
９…メタルパス、
１０…磁化自由層、
１１…上電極、
Ａ…磁気抵抗効果膜、
Ｐ…磁化固着膜、
Ｓ…中間層、スペーサ層。
２…下地層、
３…反強磁性層、
４…第１の磁化固着層、
５…反平行結合層、
６…第２の磁化固着層、
７、７’、７”…化合物層、化合物部
８…絶縁部、
９…メタルパス、
１０…磁化自由層、
１１…上電極、
Ａ…磁気抵抗効果膜、
Ｐ…磁化固着膜、
Ｓ…中間層、スペーサ層。
Claims (7)
- 実質的に一方向に固着された磁化を備える第１の強磁性体層を含んだ磁化固着膜と、外部磁界を受けて磁化が回転する第２の強磁性体層を含んだ磁化自由膜と、前記磁化固着膜と前記磁化自由膜との間に形成された、絶縁膜及び前記絶縁膜の中に形成された柱状の金属伝導部を備える中間層と、前記磁化固着膜及び前記磁化自由膜のいずれかと前記金属伝導部との間に形成された、イオン結合性あるいは共有結合性の化合物を具備する化合物層とを備える磁気抵抗効果膜と、
前記磁気抵抗効果膜の上下の膜面に電気的に接続された一対の電極とを備え、
前記化合物は、ｎ型半導体であり、かつ前記一対の電極から供給されるセンス電流が前記化合物から前記金属伝導部へ流れることを特徴とする磁気抵抗効果素子。 - 実質的に一方向に固着された磁化を備える第１の強磁性体層を含んだ磁化固着膜と、外部磁界を受けて磁化が回転する第２の強磁性体層を含んだ磁化自由膜と、前記磁化固着膜と前記磁化自由膜との間に形成された、絶縁膜及び前記絶縁膜の中に形成された柱状の金属伝導部を備える中間層と、前記磁化固着膜及び前記磁化自由膜のいずれかと前記金属伝導部との間に形成された、イオン結合性あるいは共有結合性の化合物を具備する化合物層とを備える磁気抵抗効果膜と、
前記磁気抵抗効果膜の上下の膜面に電気的に接続された一対の電極とを備え、
前記化合物が、ｐ型半導体であり、かつセンス電流が前記金属伝導部から前記化合物へ流れることを特徴とする磁気抵抗効果素子。 - 実質的に一方向に固着された磁化を備える第１の強磁性体層を含んだ磁化固着膜と、外部磁界を受けて磁化が回転する第２の強磁性体層を含んだ磁化自由膜と、前記磁化固着膜と前記磁化自由膜との間に形成された、絶縁膜、前記絶縁膜の中に形成された金属伝導部、及び、前記絶縁膜の中に形成された、イオン結合性あるいは共有結合性の化合物を具備する化合物部を備える中間層と、を備える磁気抵抗効果膜と、
前記磁気抵抗効果膜の上下の膜面に電気的に接続された一対の電極とを備え、
前記化合物は、ｎ型半導体であり、かつ前記一対の電極から供給されるセンス電流が前記化合物から前記金属伝導部へ流れることを特徴とする磁気抵抗効果素子。 - 実質的に一方向に固着された磁化を備える第１の強磁性体層を含んだ磁化固着膜と、外部磁界を受けて磁化が回転する第２の強磁性体層を含んだ磁化自由膜と、前記磁化固着膜と前記磁化自由膜との間に形成された、絶縁膜、前記絶縁膜の中に形成された金属伝導部、及び、前記絶縁膜の中に形成された、イオン結合性あるいは共有結合性の化合物を具備する化合物部を備える中間層と、を備える磁気抵抗効果膜と、
前記磁気抵抗効果膜の上下の膜面に電気的に接続された一対の電極とを備え、
前記化合物が、ｐ型半導体であり、かつセンス電流が前記金属伝導部から前記化合物へ流れることを特徴とする磁気抵抗効果素子。 - 前記金属伝導部は、前記中間層の膜面の５０％以下を占めることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。
- 請求項１乃至５のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子を備えることを特徴とする磁気再生ヘッド。
- 請求項６記載の磁気再生ヘッドを搭載したことを特徴とする磁気情報再生装置。
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